JP2015141144A - 光学素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板11は絶縁体で構成される。複数のキャビティ部121,122,…は、基板11の表面上に配置される。各キャビティ部における第1起立部1211と第2起立部1212は、いずれも、基板11の表面から外側方向に延長されており、かつ、互いに対向させられている。各キャビティ部における接続部1213は、第1起立部1211と第2起立部1212とを接続することによって、キャビティ部を断面略U字形状に形成している。第1起立部1211と第2起立部1212と接続部1213とは、いずれも、光の照射によって表面プラズモンを発生可能な材質によって構成されている。チャネル部13は、隣接するキャビティ部の間に配置される。チャネル部13は、このチャネル部13を介して、外部からの光を基板11の表面に導入可能とされている。
【選択図】図2
Description
基板と、複数のキャビティ部と、チャネル部とを備えており、
前記基板は、絶縁体により構成されており、
前記複数のキャビティ部は、前記基板上に配置されており、
かつ前記複数のキャビティ部は、それぞれ、第1起立部と、第2起立部と、接続部とを備えており、
各キャビティ部における前記第1起立部と第2起立部は、いずれも、前記基板の表面から外側方向に延長されており、かつ、互いに対向させられており、
各キャビティ部における前記接続部は、前記基板の表面上に配置されており、かつ、前記第1起立部と第2起立部とを接続することによって、前記キャビティ部を断面略U字形状に形成する構成となっており、
前記第1起立部と、第2起立部と、接続部とは、いずれも、光の照射によって表面プラズモンを発生可能な材質によって構成されており、
前記チャネル部は、隣接する前記キャビティ部の間に配置されており、
かつ、前記チャネル部は、隣接する前記キャビティ部のうちの一方における前記第1又は第2起立部と、隣接する前記キャビティ部のうちの他方における前記第2又は第1起立部とによって構成されており、
さらに、前記チャネル部は、このチャネル部を介して、外部からの光を前記基板表面に導入可能とされている
光学素子。
前記基板表面に導入された前記光を、前記キャビティ部におけるキャビティモードと、前記チャネル部におけるギャップモードとのカップリングにより、前記基板内部に閉じ込める構成となっている
項目1に記載の光学素子。
さらに光トラップ検出部を備えており、
前記光トラップ検出部は、前記チャネル部における光トラップの有無を検出する構成となっている
項目1又は2に記載の光学素子。
前記光トラップ検出部は、前記チャネル部における温度変化を検出する温度検出素子を備えている
項目3に記載の光学素子。
前記温度検出素子は、前記チャネル部における前記第1起立部と第2起立部との間に配置された半導体により構成されている
項目4に記載の光学素子。
前記光トラップ検出部は、前記半導体の抵抗変化を用いて、前記チャネル部における光トラップの有無を検出する構成となっている
項目5に記載の光学素子。
前記キャビティ部の個数は、少なくとも3以上とされており、
かつ、前記キャビティ部は、所定のピッチで周期的に配置されている
項目1〜6のいずれか1項に記載の光学素子。
項目1〜7のいずれか1項に記載の光学素子を複数備えており、
前記キャビティ部における、前記第1起立部と前記第2起立部との間での前記接続部の幅(w)は、前記複数の光学素子どうしの間で、異なった値に設定されている
分光装置。
さらに角度変更部を備えており、
前記角度変更部は、前記基板への光線の入射角を変更する構成となっている
項目1又は2に記載の光学素子。
前記角度変更部は、ピエゾ素子を備えており、
前記ピエゾ素子は、前記基板に取り付けられて、前記基板の傾斜を調整する構成となっている
項目9に記載の光学素子。
前記角度変更部は、静電アクチュエータを備えており、
前記静電アクチュエータは、静電引力を用いて前記基板の傾斜を調整する構成となっている
項目9に記載の光学素子。
項目8〜11のいずれか1項に記載の光学素子を備えた光スイッチング装置。
項目1〜7、9〜11のいずれか1項に記載の光学素子と、吸着素子とを備えており、
前記吸着素子は、前記キャビティ部又は前記チャネル部の近傍において対象物を吸着する構成となっている、
吸着センサ。
項目8に記載の分光装置を用いて行われる分光方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記チャネル部における光トラップの有無を検出するステップと、
を備える分光方法。
項目12に記載の光スイッチング装置を用いて行われる光スイッチング方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記入射角を変化させるステップと、
を備える光スイッチング方法。
項目13に記載の吸着センサを用いて行われる物質検出方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記対象物が前記吸着素子に吸着される前後における前記吸着センサの共鳴特性の変化を検出するステップと、
を備える物質検出方法。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の第1実施形態に係る分光装置について説明する。
本実施形態の分光装置は、複数の光学素子101,102,…,10nを備えている。ここで、符号中のnはn個目の光学素子であることを示している。なお、光学素子の個数は、測定したい波長の個数(すなわち波長λ1,λ2,…,λn)に対応するので、1波長のみ検出する場合は一つでもよい。また、本実施形態における光学素子101…は、支持体10によって支持されている。
一つの光学素子101を例として、光学素子の構成を、図2(a)をさらに参照しながら詳しく説明する。他の光学素子102…の構成も、基本的には、この光学素子101と同様である。なお、図2は、図1とは上下反転した状態で記載してある。
N×R(T)
で表現できる。ここで、
N:チャネル部の個数(つまり半導体の個数)、
R:半導体部分の抵抗値、
T:半導体部分の温度
である。なお、前記の式では、SN比を向上させるため、キャビティ部の導電性が半導体よりも十分に高いことを想定したが、キャビティ部の導電性をある程度低くすることは可能である。
光学系200(図1参照)は、試料からの光を平行光にして光学素子101〜10nに送るいわゆるコリメート光学系となっている。
テーブル300(図1参照)は、X−Y方向に試料を移動させることができる構成となっている。
次に、前記した分光装置を用いた分光方法について説明する。
説明の前提として、本実施形態の光学素子における基本的な特性の一例を、図3を参照して説明する。
キャビティ部の配置周期d = 1.780 - 1.905μm
(キャビティ部の幅w = 1.150 - 1.275μm)
キャビティ部の高さh = 1.1μm
各チャネル部の幅 (半導体部分の幅) = 0.23μm
キャビティ部を構成する金属層の厚さt (銀層) = 0.2μm
入射角 = 0 deg
基板材質: Si3N4
入射光のP偏光:図2の紙面に平行な方向
(1)各起立部の端部におけるLSPRとキャビティモードとのカップリング、及び
(2)前記(1)のカップリングとチャネル部におけるギャップモードとのカップリング
により生じるものと考えられる。また、前記(1)及び(2)のカップリングは、ごく狭い幅の波長の光によって生じる(図3参照)。
本実施形態の分光方法でも、基本的な手法は従来の分光装置と同様とすることができる。例えば、試料に向けてプローブ光(例えば赤外光)を照射する。そして、試料により反射され、あるいは試料を透過した光を、光学系200を介して、本実施形態の光学素子101〜101nに照射する。これにより、それぞれの光学素子における複数の光トラップ部及び接続部にわたって光を照射することができる。ここで試料とは、例えば生体組織の一部である。よく知られているように、正常細胞と異常細胞(例えばがん細胞)との間では、光の吸収波長が変化する。そこで、吸収波長を検出することで、異常細胞の有無を検出することができる。なお、試料としては生体組織に限るものではなく、吸光度スペクトルの測定を必要とする他の有機材料あるいは無機材料とすることができる。
ついで、X−Y平面における特定の位置ごとに、光学素子101〜10nの光トラップ部における光トラップの有無を検出する。なお、この検出は、前記した抵抗値R(T)の測定により可能である。光学素子101〜10nごとに光トラップの有無を検出することにより、光学素子に特有の波長の吸収が生じているかどうかを波長ごとに検出することができる。例えば、O−H基に特有な吸収波長をλ1とすれば、このλ1に対応した光学素子での光トラップを検出すれば、O−H基の存否や存在量を検出することができる。同様に、他の吸収波長λ2,…,λnに対応した光学素子を備えておけば、それぞれの波長に対応した物質を検出することができる(図5参照)。
つぎに、本発明の第2実施形態に係る光スイッチング装置を、図6〜図10を参照しながら説明する。なお、この第2実施形態の説明においては、前記した第1実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
次に、本実施形態に係る光スイッチング装置の動作を説明する。
第2実施形態の光学素子においても、第1実施形態で説明した、鋭い波長選択性という特性を持つ。しかしながら、第2実施形態では、光学素子における別の特性を利用する。この特性を、図9を参照しながら説明する。
キャビティ部の配置周期d= 1.50μm
キャビティ部の高さh = 0.77μm
各チャネル部の幅 (空気層) = 0.11μm
キャビティ部を構成する金属層の厚さt (銀層) = 0.1μm
入射角= 0 - 5 deg
基板材質: Si3N4
入射光のP偏光:図10の紙面に平行な方向
前記した光学素子の特性を前提として、本実施形態における光スイッチング方法を説明する。
つぎに、本発明の第3実施形態に係る吸着センサを、図11を参照しながら説明する。なお、この第3実施形態の説明においては、前記した第1実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
次に、本実施形態に係る吸着センサの動作を説明する。
つぎに、第4実施形態として、本発明の光学素子を作製する方法の一例を、図12を参照しながら説明する。なお、この第4実施形態の説明においては、前記した第1実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
つぎに、本発明の第5実施形態に係る光スイッチング装置を、図13を参照しながら説明する。なお、この第5実施形態の説明においては、前記した第2実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
101,102,…,10n 光学素子
11 基板
121,122,…,12n キャビティ部
1211・1221 第1起立部
1212・1222 第2起立部
1213,1223 接続部
13 チャネル部
14 光トラップ検出部
15 角度変更部
16 受光部
17 ビームスプリッタ
18 発光素子
19 吸着素子
200 光学系
300 テーブル
400 レジスト
500 アモルファスシリコン層
600 金属層
w キャビティ部の幅
d キャビティ部の配置周期
Claims (16)
- 基板と、複数のキャビティ部と、チャネル部とを備えており、
前記基板は、絶縁体により構成されており、
前記複数のキャビティ部は、前記基板上に配置されており、
かつ前記複数のキャビティ部は、それぞれ、第1起立部と、第2起立部と、接続部とを備えており、
各キャビティ部における前記第1起立部と第2起立部は、いずれも、前記基板の表面から外側方向に延長されており、かつ、互いに対向させられており、
各キャビティ部における前記接続部は、前記基板の表面上に配置されており、かつ、前記第1起立部と第2起立部とを接続することによって、前記キャビティ部を断面略U字形状に形成する構成となっており、
前記第1起立部と、第2起立部と、接続部とは、いずれも、光の照射によって表面プラズモンを発生可能な材質によって構成されており、
前記チャネル部は、隣接する前記キャビティ部の間に配置されており、
かつ、前記チャネル部は、隣接する前記キャビティ部のうちの一方における前記第1又は第2起立部と、隣接する前記キャビティ部のうちの他方における前記第2又は第1起立部とによって構成されており、
さらに、前記チャネル部は、このチャネル部を介して、外部からの光を前記基板表面に導入可能とされている
光学素子。 - 前記基板表面に導入された前記光を、前記キャビティ部におけるキャビティモードと、前記チャネル部におけるギャップモードとのカップリングにより、前記基板内部に閉じ込める構成となっている
請求項1に記載の光学素子。 - さらに光トラップ検出部を備えており、
前記光トラップ検出部は、前記チャネル部における光トラップの有無を検出する構成となっている
請求項1又は2に記載の光学素子。 - 前記光トラップ検出部は、前記チャネル部における温度変化を検出する温度検出素子を備えている
請求項3に記載の光学素子。 - 前記温度検出素子は、前記チャネル部における前記第1起立部と第2起立部との間に配置された半導体により構成されている
請求項4に記載の光学素子。 - 前記光トラップ検出部は、前記半導体の抵抗変化を用いて、前記チャネル部における光トラップの有無を検出する構成となっている
請求項5に記載の光学素子。 - 前記キャビティ部の個数は、少なくとも3以上とされており、
かつ、前記キャビティ部は、所定のピッチで周期的に配置されている
請求項1〜6のいずれか1項に記載の光学素子。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の光学素子を複数備えており、
前記キャビティ部における、前記第1起立部と前記第2起立部との間での前記接続部の幅(w)は、前記複数の光学素子どうしの間で、異なった値に設定されている
分光装置。 - さらに角度変更部を備えており、
前記角度変更部は、前記基板への光線の入射角を変更する構成となっている
請求項1又は2に記載の光学素子。 - 前記角度変更部は、ピエゾ素子を備えており、
前記ピエゾ素子は、前記基板に取り付けられて、前記基板の傾斜を調整する構成となっている
請求項9に記載の光学素子。 - 前記角度変更部は、静電アクチュエータを備えており、
前記静電アクチュエータは、静電引力を用いて前記基板の傾斜を調整する構成となっている
請求項9に記載の光学素子。 - 請求項8〜11のいずれか1項に記載の光学素子を備えた光スイッチング装置。
- 請求項1〜7、9〜11のいずれか1項に記載の光学素子と、吸着素子とを備えており、
前記吸着素子は、前記キャビティ部又は前記チャネル部の近傍において対象物を吸着する構成となっている、
吸着センサ。 - 請求項8に記載の分光装置を用いて行われる分光方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記チャネル部における光トラップの有無を検出するステップと、
を備える分光方法。 - 請求項12に記載の光スイッチング装置を用いて行われる光スイッチング方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記入射角を変化させるステップと、
を備える光スイッチング方法。 - 請求項13に記載の吸着センサを用いて行われる物質検出方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記対象物が前記吸着素子に吸着される前後における前記吸着センサの共鳴特性の変化を検出するステップと、
を備える物質検出方法。
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